Помощь студентам в учебе
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НУМИНСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ КУРЕЙКА. СХЕМЫ ВЫДАЧИ МОЩНОСТИ ГЭС, КРИТЕРИИ ВЫБОРА, МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ, КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ РУ, СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
|
СОКРАЩЕННЫЙ ПАСПОРТ НУМИНСКОЙ ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климат 10
1.1.2 Гидрологические данные 11
1.1.3 Инженерно-геологические условия 13
1.1.4 Сейсмические условия 13
1.2 Данные по энергосистеме 13
1.3 Аналоги проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Исходные данные 15
2.2 Выбор установленной мощности на основе водноэнергетических
расчетов 15
2.2.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного года 15
2.2.2 Построение суточных графиков нагрузки и ИКН энергосистемы 19
2.2.3 Построение годовых графиков максимальной и средней мощностей 21
2.3 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требования ВХК 22
2.4 Баланс мощности и энергии 23
2.5 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС по маловодному году 23
2.6 Определение установленной мощности ГЭС, баланс мощностей 24
2.7 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС по средневодному
году, определение среднемноголетней выработки 26
2.8 Построение режимного поля 26
3 Выбор основного энергетического оборудования 28
3.1 Выбор системы и количества гидроагрегатов 28
3.1.1 Определение заглубления рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения ее бескавитационной работы 33
3.1.2 Расчет деталей и узлов гидротурбины 34
3.2 Выбор электротехнического оборудования 35
3.2.1 Выбор типа серийного гидрогенератора 35
3.2.2 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 35
3.2.3 Выбор электрогидравлического регулятора 35
4 Электрическая часть 36
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 36
4.2 Выбор типа блоков ГЭС 37
4.2.1 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с простыми
блоками 37
4.2.2 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с
укрупненными блоками 38
4.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 39
4.3 Выбор главной схемы на основании технико-экономического расчёта ... 40
4.4 Выбор количества отходящих воздушных линий 41
4.5 Выбор схемы РУ ВН 42
4.6 Расчет токов трехфазного и однофазного короткого замыкания на
сборных шинах и на генераторном напряжении в программном комплексе «RASTR WIN 3» 43
4.8 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 45
4.9 Выбор и проверка коммутационных аппаратов в РУ ВН 46
4.10 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 15,75 кВ 48
5 Релейная защита и автоматика 50
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 50
5.2 Расчёт номинальных токов 51
5.3 Перечень защит основного оборудования 51
5.4 Описание защит и расчет их уставок 53
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 53
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN
(UO)) 55
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 58
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных
перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий (12) .... 58
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (/1) 62
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 64
5.4.7 Защита ротора от перегрузки 67
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 68
6 Состав и компоновка сооружений 69
6.1 Состав и компоновка сооружений гидроузла 69
6.2 Проектирование сооружений напорного фронта 69
6.2.1 Определение отметки гребня плотины 69
6.3 Гидравлические расчеты 71
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 71
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 72
6.3.3 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном
расчетном случае 74
6.3.4 Построение профиля водосливной грани 75
6.3.5 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 76
6.3.6 Расчет водобойной стенки и водобойного колодца 77
6.3.7 Пропуск расходов через глубинный водосброс 79
6.4 Конструирование бетонной плотины 80
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 80
6.4.2 Разрезка бетонной плотины швами 81
6.4.3 Быки 81
6.4.4 Устои 82
6.4.5 Дренаж тела бетонных плотин 82
6.4.6 Галереи в теле плотины 83
6.4.7 Цементационная завеса и дренаж 83
6.5 Конструктивные элементы нижнего бьефа 84
6.5.1 Водобойный колодец комбинированного типа 84
6.5.2 Рисберма 84
6.6 Фильтрационные расчёты 84
6.7 Определение основных нагрузок на плотину 85
6.7.1 Вес сооружения 85
6.7.2 Сила гидростатического давления воды 86
6.7.3 Равнодействующие взвешивающего и фильтрационного
давления 87
6.7.4 Волновое воздействие 87
6.8 Сбор нагрузок для расчета устойчивости плотины 88
6.8.1 Вес сооружения 88
6.8.2 Сила гидростатического давления воды 88
6.8.3 Равнодействующие взвешивающего и фильтрационного
давления 89
6.8.4 Пригруз воды с нижнего бьефа 89
6.9 Расчёт прочности плотины 89
6.10 Критерии прочности плотины 92
6.11 Расчёт устойчивости плотины 93
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности,
мероприятия по охране природы 95
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 95
7.2 Охрана труда 95
7.3 Пожарная безопасность 97
7.4 Охрана природы. Общие положения 100
8 Технико-экономические показатели 101
8.1 Оценка объемов продаж 101
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 101
8.3 Налоговые расходы 103
8.4 Оценка суммы прибыли 104
8.5 Оценка инвестиционного проекта 105
8.6 Бюджетная эффективность 106
8.7 Анализ рисков инвестиционных проектов 106
9 Схемы выдачи мощности ГЭС, критерии выбора, методы расчетов,
конструктивные исполнения РУ, способы защиты от перенапряжений 109
9.1 Схемы на напряжение (3-35,66 кВ) 112
9.2 Схемы РУ на высшее напряжение 114
9.2.1 Схемы РУ 110-220 кВ 114
9.2.2 Схемы РУ 330-750 кВ 117
9.3 Критерии выбора схем РУ 119
9.4 Методы расчетов схем РУ 121
9.5 Конструктивное исполнение РУ 122
9.6 Способы защиты от перенапряжений 123
9.7 Выбор главной электрической схемы Нуминской ГЭС 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 130
ПРИЛОЖЕНИЯ А - Д 133-144
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климат 10
1.1.2 Гидрологические данные 11
1.1.3 Инженерно-геологические условия 13
1.1.4 Сейсмические условия 13
1.2 Данные по энергосистеме 13
1.3 Аналоги проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Исходные данные 15
2.2 Выбор установленной мощности на основе водноэнергетических
расчетов 15
2.2.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного года 15
2.2.2 Построение суточных графиков нагрузки и ИКН энергосистемы 19
2.2.3 Построение годовых графиков максимальной и средней мощностей 21
2.3 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требования ВХК 22
2.4 Баланс мощности и энергии 23
2.5 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС по маловодному году 23
2.6 Определение установленной мощности ГЭС, баланс мощностей 24
2.7 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС по средневодному
году, определение среднемноголетней выработки 26
2.8 Построение режимного поля 26
3 Выбор основного энергетического оборудования 28
3.1 Выбор системы и количества гидроагрегатов 28
3.1.1 Определение заглубления рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения ее бескавитационной работы 33
3.1.2 Расчет деталей и узлов гидротурбины 34
3.2 Выбор электротехнического оборудования 35
3.2.1 Выбор типа серийного гидрогенератора 35
3.2.2 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 35
3.2.3 Выбор электрогидравлического регулятора 35
4 Электрическая часть 36
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 36
4.2 Выбор типа блоков ГЭС 37
4.2.1 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с простыми
блоками 37
4.2.2 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с
укрупненными блоками 38
4.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 39
4.3 Выбор главной схемы на основании технико-экономического расчёта ... 40
4.4 Выбор количества отходящих воздушных линий 41
4.5 Выбор схемы РУ ВН 42
4.6 Расчет токов трехфазного и однофазного короткого замыкания на
сборных шинах и на генераторном напряжении в программном комплексе «RASTR WIN 3» 43
4.8 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 45
4.9 Выбор и проверка коммутационных аппаратов в РУ ВН 46
4.10 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 15,75 кВ 48
5 Релейная защита и автоматика 50
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 50
5.2 Расчёт номинальных токов 51
5.3 Перечень защит основного оборудования 51
5.4 Описание защит и расчет их уставок 53
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 53
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN
(UO)) 55
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 58
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных
перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий (12) .... 58
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (/1) 62
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 64
5.4.7 Защита ротора от перегрузки 67
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 68
6 Состав и компоновка сооружений 69
6.1 Состав и компоновка сооружений гидроузла 69
6.2 Проектирование сооружений напорного фронта 69
6.2.1 Определение отметки гребня плотины 69
6.3 Гидравлические расчеты 71
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 71
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 72
6.3.3 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном
расчетном случае 74
6.3.4 Построение профиля водосливной грани 75
6.3.5 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 76
6.3.6 Расчет водобойной стенки и водобойного колодца 77
6.3.7 Пропуск расходов через глубинный водосброс 79
6.4 Конструирование бетонной плотины 80
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 80
6.4.2 Разрезка бетонной плотины швами 81
6.4.3 Быки 81
6.4.4 Устои 82
6.4.5 Дренаж тела бетонных плотин 82
6.4.6 Галереи в теле плотины 83
6.4.7 Цементационная завеса и дренаж 83
6.5 Конструктивные элементы нижнего бьефа 84
6.5.1 Водобойный колодец комбинированного типа 84
6.5.2 Рисберма 84
6.6 Фильтрационные расчёты 84
6.7 Определение основных нагрузок на плотину 85
6.7.1 Вес сооружения 85
6.7.2 Сила гидростатического давления воды 86
6.7.3 Равнодействующие взвешивающего и фильтрационного
давления 87
6.7.4 Волновое воздействие 87
6.8 Сбор нагрузок для расчета устойчивости плотины 88
6.8.1 Вес сооружения 88
6.8.2 Сила гидростатического давления воды 88
6.8.3 Равнодействующие взвешивающего и фильтрационного
давления 89
6.8.4 Пригруз воды с нижнего бьефа 89
6.9 Расчёт прочности плотины 89
6.10 Критерии прочности плотины 92
6.11 Расчёт устойчивости плотины 93
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности,
мероприятия по охране природы 95
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 95
7.2 Охрана труда 95
7.3 Пожарная безопасность 97
7.4 Охрана природы. Общие положения 100
8 Технико-экономические показатели 101
8.1 Оценка объемов продаж 101
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 101
8.3 Налоговые расходы 103
8.4 Оценка суммы прибыли 104
8.5 Оценка инвестиционного проекта 105
8.6 Бюджетная эффективность 106
8.7 Анализ рисков инвестиционных проектов 106
9 Схемы выдачи мощности ГЭС, критерии выбора, методы расчетов,
конструктивные исполнения РУ, способы защиты от перенапряжений 109
9.1 Схемы на напряжение (3-35,66 кВ) 112
9.2 Схемы РУ на высшее напряжение 114
9.2.1 Схемы РУ 110-220 кВ 114
9.2.2 Схемы РУ 330-750 кВ 117
9.3 Критерии выбора схем РУ 119
9.4 Методы расчетов схем РУ 121
9.5 Конструктивное исполнение РУ 122
9.6 Способы защиты от перенапряжений 123
9.7 Выбор главной электрической схемы Нуминской ГЭС 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 130
ПРИЛОЖЕНИЯ А - Д 133-144
Цивилизованное общество невозможно представить без энергетической отрасли. Современные города полностью зависят от снабжения электрической энергией. Так при выходе из строя генерирующих мощностей или распределительных сетей, тысячи людей могут оказаться без элементарных средств обеспечения жизнедеятельности: водоснабжения, отопления, канализации, освещения. Также такие аварии могут нанести экономике страны значительный ущерб. Энергетика XXI века должна надёжно и бесперебойно обеспечивать потребителя электрической энергией, при этом поддерживать качественные показатели энергии на высоком уровне.
Все вышеперечисленные условия показывают, что к проектированию, строительству и эксплуатации энергетических объектов нужно подходить с высокой ответственностью, компетенцией и максимально использовать новые разработки и достижения науки.
С развитием технологий требуется всё большее количество электроэнергии, причём она должна быть как можно более дешёвая. Кроме того, в последнее время всё больше проявляется интерес к возобновляемым источникам энергии. Поэтому самым удобным видом электростанций с низкой себестоимостью электроэнергии на сегодняшний день неоспоримо являются гидроэлектростанции. В последнее время одним из важнейших плюсов гидроэлектростанций становится её экологическая чистота.
Целью дипломного проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением и закреплением теоретических знаний, а также путем инженерной мысли и творческого подхода к решению конкретных задач, найти оптимальные проектные решения.
Все вышеперечисленные условия показывают, что к проектированию, строительству и эксплуатации энергетических объектов нужно подходить с высокой ответственностью, компетенцией и максимально использовать новые разработки и достижения науки.
С развитием технологий требуется всё большее количество электроэнергии, причём она должна быть как можно более дешёвая. Кроме того, в последнее время всё больше проявляется интерес к возобновляемым источникам энергии. Поэтому самым удобным видом электростанций с низкой себестоимостью электроэнергии на сегодняшний день неоспоримо являются гидроэлектростанции. В последнее время одним из важнейших плюсов гидроэлектростанций становится её экологическая чистота.
Целью дипломного проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением и закреплением теоретических знаний, а также путем инженерной мысли и творческого подхода к решению конкретных задач, найти оптимальные проектные решения.
В дипломном проекте рассчитаны и определены основные элементы и параметры Нуминского гидроузла на реке Курейка, являющегося сооружением II класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчетных расходов для случаев: основного обеспеченностью 1 % и поверочного 0,1 % равных 5979 и 7053 м3/с соответственно.
В ходе водно-энергетических расчетов была рассчитана установленная мощность, равная 550 МВт и среднемноголетняя выработка 1602 млн. кВтш.
На третьем этапе было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
— максимальный - 38 м;
— расчетный - 30,4 м;
— минимальный - 27 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчетному напору, составляет 526 м3/с.
При выборе турбин рассматривалось три варианта ПЛ40а-В, ПЛ406-В и РО45-В. По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с четырьмя гидротурбинами ПЛ40а-В-750.
По справочным данным для выбранной турбины с синхронной частотой вращения 100 об/мин был подобран серийный гидрогенератор ВГС-1260/200-60 с номинальной активной мощностью 150 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с укрупнёнными блоками и принята схема распределительного устройства на 7 присоединений (2 блока, 5 отходящих воздушных линии) КРУЭ 220 кВ - "две системы сборных шин", т.к. этот вариант имеет более высокую надежность. По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ- 400000/220, трансформаторы собственных нужд ТСЗ- 4000/15,75-У1 для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС 240/32.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый комплекс HECS - 130XLp производства компании «ABB», в качестве ячеек КРУЭ были выбраны ячейки ЯГГ-220 производства компании ОАО «Электроаппарат».
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла была принята русловая.
В состав сооружений входят:
— водосбросная бетонная плотина с комбинированной системой водобойного колодца и стенки - 135 м;
— станционная бетонная плотина - 150 м;
- секция глубинного водосброса - 23 м;
- правобережная грунтовая плотина - 246,76 м;
- левобережная грунтовая плотина - 285,78 м.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- отметка подошвы водосливной плотины - 84,5 м;
- число водосливных отверстий - 6;
- ширина водосливных отверстий - 20 м;
- отметка гребня - 137,14 м;
- ширина гребня - 15 м;
- количество глубинных отверстий - 2;
- высота глубинных отверстий - 3 м;
- ширина глубинных отверстий - 2,5 м;
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,22 (нормативное значение для сооружений I I класса - 1,2). Таким образом, плотина Нуминского гидроузла отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям, предусмотренными СНиП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам получены следующие показатели:
- срок окупаемости - 7 лет;
- себестоимость - 0,12 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 27263,8 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Нуминской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчетных расходов для случаев: основного обеспеченностью 1 % и поверочного 0,1 % равных 5979 и 7053 м3/с соответственно.
В ходе водно-энергетических расчетов была рассчитана установленная мощность, равная 550 МВт и среднемноголетняя выработка 1602 млн. кВтш.
На третьем этапе было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
— максимальный - 38 м;
— расчетный - 30,4 м;
— минимальный - 27 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчетному напору, составляет 526 м3/с.
При выборе турбин рассматривалось три варианта ПЛ40а-В, ПЛ406-В и РО45-В. По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с четырьмя гидротурбинами ПЛ40а-В-750.
По справочным данным для выбранной турбины с синхронной частотой вращения 100 об/мин был подобран серийный гидрогенератор ВГС-1260/200-60 с номинальной активной мощностью 150 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с укрупнёнными блоками и принята схема распределительного устройства на 7 присоединений (2 блока, 5 отходящих воздушных линии) КРУЭ 220 кВ - "две системы сборных шин", т.к. этот вариант имеет более высокую надежность. По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ- 400000/220, трансформаторы собственных нужд ТСЗ- 4000/15,75-У1 для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС 240/32.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый комплекс HECS - 130XLp производства компании «ABB», в качестве ячеек КРУЭ были выбраны ячейки ЯГГ-220 производства компании ОАО «Электроаппарат».
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла была принята русловая.
В состав сооружений входят:
— водосбросная бетонная плотина с комбинированной системой водобойного колодца и стенки - 135 м;
— станционная бетонная плотина - 150 м;
- секция глубинного водосброса - 23 м;
- правобережная грунтовая плотина - 246,76 м;
- левобережная грунтовая плотина - 285,78 м.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- отметка подошвы водосливной плотины - 84,5 м;
- число водосливных отверстий - 6;
- ширина водосливных отверстий - 20 м;
- отметка гребня - 137,14 м;
- ширина гребня - 15 м;
- количество глубинных отверстий - 2;
- высота глубинных отверстий - 3 м;
- ширина глубинных отверстий - 2,5 м;
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,22 (нормативное значение для сооружений I I класса - 1,2). Таким образом, плотина Нуминского гидроузла отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям, предусмотренными СНиП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам получены следующие показатели:
- срок окупаемости - 7 лет;
- себестоимость - 0,12 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 27263,8 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Нуминской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.